獅子灘電站溢流壩壩基穩(wěn)定性及壩體裂縫成因分析

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簡介： 獅子灘水電站是建國后第一批完建的重點(diǎn)水電工程。作者結(jié)合獅子灘水電站多年運(yùn)行后的實(shí)際情況，運(yùn)用三維非線性有限元數(shù)學(xué)模型，針對影響溢流壩正常工作的主要工程問題展開研究，較全面地論證了壩基的抗滑穩(wěn)定性，還對溢流壩壩體裂縫的成因進(jìn)行了分析。并提出進(jìn)一步提高壩基抗滑安全儲備和減少壩體裂縫的工程措施。 
關(guān)鍵字：壩基穩(wěn)定性 壩體裂縫 工程措施 有限元法

1 主要工程問題及研究對策

　　獅子灘水電站位于四川省長壽縣境內(nèi)，是龍溪河四級開發(fā)利用中最上游一級。電站裝機(jī)容量4．8萬kW，年發(fā)電量2．06億kW&midd0t;h，水庫總庫容8．3億m3，可對天然來流量作多年調(diào)節(jié)。主要水工建筑物由混凝土擋墻堆石壩、溢洪道、有壓引水系統(tǒng)及電站廠房組成。溢洪道位于堆石壩左端條形山脊天然埡口，總寬112．0 m，設(shè)計(jì)最大泄洪能力49l0．0 m3／s，從溢流壩至挑水坎總長358．0m，其中，首段為重力式混凝土溢流壩，共分5個壩段，壩段長22．0-23．0m， 閘墩寬4．0m，在閘墩中心線分沉陷縫，建基面高程從1號至5號壩段為326．5—318．0m，溢流堰頂高程340．0m，壩頂高程350．0m，最大壩高32，0m，溢流壩上設(shè)置7．0 m×18．0m(高×寬)弧形閘門5孔。中段為泄水陡槽，長322．5m，平均坡降4．95％，末端為混凝土低鼻坎矩形差動式挑水坎。

　　獅子灘水電站于l957年3月全部建成，至今已安全運(yùn)行41年。在多年運(yùn)行期間，水庫最低蓄水位325．09m，較死水位低3．14m，最高運(yùn)行水位347．58m，較正常高水位高0．85m，溢洪道實(shí)際下泄最大流量1750 m3／s，僅達(dá)設(shè)計(jì)泄洪能力的35．6％，溢洪道各建筑物還未經(jīng)受設(shè)計(jì)最大泄流量考驗(yàn)，同時(shí)，經(jīng)過多年蓄水運(yùn)行，溢洪道相繼出現(xiàn)一些影響安全運(yùn)行的工程問題，主要包括：

　　(1) 溢流壩上游鋪蓋被淘空。

　　原設(shè)計(jì)溢流壩上游鋪蓋為1：4坡度的粘土鋪蓋，表面再鋪塊石保護(hù)，施工時(shí)作了修改，鋪蓋粘土只回填至330．0m高程，330．0m高程以上改用廢渣回填，經(jīng)過多次泄洪，下泄水流將回填廢渣及330．0m高程以下的粘土大量帶走，鋪蓋大部分已失去保護(hù)，溢流壩前沿基礎(chǔ)已經(jīng)暴露在外，致使?jié)B徑縮短，增加了帳幕前壩基滲透壓力，并可能拉裂帳幕，影響溢流壩體的整體安全。

　　(2) 溢流壩穩(wěn)定安全參數(shù)偏低。

　　由于溢流壩基礎(chǔ)大部分位于薄層砂巖上，砂巖厚度一般為3．0—4．0m，以下為砂質(zhì)粘土與砂巖互層，巖性變化大，節(jié)理裂隙發(fā)育，問有風(fēng)化破碎帶，在砂質(zhì)粘土巖中分布有埋深較淺，產(chǎn)狀近于水平且連通性較好的G4、G5軟弱夾層，其中建基面以下8．0m的G5夾層分布于整個溢流壩基。原設(shè)計(jì)根據(jù)竣工資料，對1號一5號壩段在校核洪水條件下的穩(wěn)定性進(jìn)行復(fù)核，1號一3號壩段抗滑穩(wěn)定安全參數(shù)Kc為1．0—1．08，4號壩段為0．91，5號壩段為0．94，由此可見4號、5號壩段的Kc值不能滿足現(xiàn)行規(guī)范要求。為客觀評價(jià)4號、5號壩段的穩(wěn)定安全性，設(shè)計(jì)上建議在穩(wěn)定分析中考慮尾部巖體的抗剪作用，這種計(jì)入尾部巖體抗力的分析方法是合理的，但對4號、5號壩段穩(wěn)定安全參數(shù)量值上的變化設(shè)計(jì)上未作詳細(xì)說明。

　　(3) 溢流壩普遍出現(xiàn)貫穿性裂縫。

　　據(jù)獅子灘溢洪道運(yùn)行總結(jié)報(bào)告介紹，溢流壩體出現(xiàn)的貫穿性裂縫可分為三類：第一類是遺留的施工冷縫；第二類是由于混凝土澆筑過程中未采取嚴(yán)格溫控措施和拆模過早等因素形成的，先期(末蓄水發(fā)電前)裂縫；第三類則是在多年運(yùn)行期間，由于壩面溫度隨外界氣溫變化所產(chǎn)生并逐步演變形成的。上述三類貫穿性裂縫的形成原因，以及對壩體安全性的影響程度，是工程上所關(guān)心的問題。

　　針對獅子灘電站溢洪道所存在的上述三個主要 問題，結(jié)合溢洪道多年的運(yùn)行與安全監(jiān)測資料，以及 1990年獅子灘水電站大壩安全定檢時(shí)所修定的最新地質(zhì)水文成果，運(yùn)用三維彈塑性有限方法，以上游鋪蓋、溢流壩及下游護(hù)坦和壩基巖體作為計(jì)算整體，對溢流壩體的變位與應(yīng)力特征，以及上述(1)、(2)因素對壩體穩(wěn)定性的影響進(jìn)行定量分析評價(jià)，給出獅子灘電站溢流壩現(xiàn)今與進(jìn)行工程處理后所具有的整體安全儲備，同時(shí)，還對溢流壩出現(xiàn)貫穿性裂縫的原因及其影響作了初步分析。

2 有限元數(shù)學(xué)模型及計(jì)算方法

　　2．1 有限元計(jì)算范圍及結(jié)構(gòu)離散

　　選取最大壩高，抗滑穩(wěn)定安全參數(shù)最低的4號壩段作為分析對象，并沿上下游及壩基方向延伸一定范圍構(gòu)成三維計(jì)算域，其中：

　　垂直水流方向(Y向)：溢流壩1+81．3l—溢流壩l+103．31m；

　　平行水流方向(X向)：0-30．00-0+80．00m：

　　垂直方向(Z向)：建基面以下32．0m至壩頂，絕對高程290.0— 350．0m，相對高差60．0m。

　　該區(qū)域包括4號壩段左右閘墩，溢流壩體、上游前坦30．0m與下游護(hù)坦50．0m，以及壩基以下薄層砂巖、砂質(zhì)粘土巖互層與軟弱破碎帶G5。根據(jù)溢流壩受力特點(diǎn)及壩基地層分布界面，對計(jì)算域進(jìn)行剖分，其中壩體和護(hù)坦混凝土結(jié)構(gòu)，以及壩基巖體采用空間8節(jié)點(diǎn)等參元模擬，G5軟弱夾層以8節(jié)點(diǎn)夾層單元模擬，為反映壩體與壩基巖體接觸面相對剪切變形，該接觸面用接觸界面單元模擬。

　　2．2 材料物理力學(xué)參數(shù)

　　參考原設(shè)計(jì)采用材料物理力學(xué)參數(shù)，并結(jié)合1990年獅子灘水電站溢洪道壩基巖石力學(xué)試驗(yàn)成果，本次有限元分析計(jì)算選用材料參數(shù)見表l。

表1 材料物理力學(xué)參數(shù)表

　　本文有限元分析考慮兩種荷載組合：基本荷載組合：

　　巖體自重+壩體自重+正常水載=泥沙壓力+揚(yáng)壓力

　　特殊荷載組合：巖體自重+壩體自重+校核水載+泥沙壓力+揚(yáng)壓力

　　其中水載及泥沙壓力基本參數(shù)為：

　　巖體自重在地質(zhì)歷史時(shí)期已形成，是一種環(huán)境力場，壩體自重在壩體完建后業(yè)已形成，是一種初始力場，有限元分析中只計(jì)入兩者形成的自重應(yīng)力。

　　考慮到溢流壩上游鋪蓋已淘至壩基混凝土齒墻，壩基灌漿帳幕前滲透壓力按1．0倍H計(jì)，帷幕線及排水孔線位置滲透壓力水頭折減系數(shù)按設(shè)計(jì)規(guī)范取為0．5與0．3，下游壩趾處滲透水頭參考揚(yáng)壓力實(shí)測資料取為0．25倍H。

　　2．4 巖體強(qiáng)度及本構(gòu)模型

　　在外荷載組合作用下，溢流壩及壩基巖體應(yīng)力集中或材料強(qiáng)度較低的部位首先出現(xiàn)開裂或塑性破壞，由此將引起這些部位承載能力下降，超過其承載能力的部分荷載(超余應(yīng)力)將轉(zhuǎn)移至附近壩體或巖體單元，進(jìn)而可能引起附近單元破壞。因此，溢流壩及壩基巖體的變位、應(yīng)力及破壞是不斷調(diào)整最終趨于穩(wěn)定(收斂)的漸進(jìn)過程，非線性彈塑性有限元法能較好地模擬分析這一客觀過程。

　　溢流壩混凝土及壩基巖體材料開裂條件用宏觀強(qiáng)度描述：

σii≥Rt(i＝1，2，3) (2．1)

　　式中 σii噸代表應(yīng)力特征點(diǎn)的3個主應(yīng)力，以拉為正；Rt表示混凝土或巖體材料抗拉強(qiáng)度，分析中可能呈現(xiàn)單向，雙向及三向開裂情況，由程序自行校核并進(jìn)行剛度修正。

　　壩體混凝土或巖體是否進(jìn)入塑性狀態(tài)，按 Drucker—Parger準(zhǔn)則判別：

F＝αI1+√J2-k (2．2)

　　式中 I1和J2分別為應(yīng)力張量的第一不變量和應(yīng)力偏張量的第二不變量；α、k是與材料摩擦系數(shù)tgφ和凝聚力C有關(guān)的常數(shù)。

　　據(jù)關(guān)聯(lián)流動法則導(dǎo)出材料的彈塑性本構(gòu)陣：

　　壩體建基面及壩基G5軟弱錯動帶，按層面法向不抗拉材料分析，其剪切滑移按mohr—Coulomb條件復(fù)核。

　　2．5 壩基抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)計(jì)算方法

　　采用整體強(qiáng)度儲備安全系數(shù)表征壩基的抗滑穩(wěn)定性，基本方法是假定基本或特殊組合荷載不變，通過不斷下浮壩基與巖體接觸面，G5軟弱夾層及尾部抗力體(砂巖)抗剪強(qiáng)度指標(biāo)，分析強(qiáng)度參數(shù)下浮倍數(shù)與潛存滑移通道中破壞面積之間的演變關(guān)系，尋求壩基滑移面整體移滑時(shí)，相應(yīng)的Kc值即為整體抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)。

3 壩基抗滑穩(wěn)定安全度評價(jià)

　　針對溢流壩上游鋪蓋被淘空條件，首先研究正常蓄水與校核洪水兩種工況，壩體沿建基面與G5軟弱破碎帶兩種滑動面的抗滑穩(wěn)定性(文中G5滑動面包含壩基下近于水平分布的G5破碎帶及壩趾尾部砂巖抗剪斷段)，其成果見表2中方案1-方案8，在此基礎(chǔ)上，分析壩體前坦深槽回填處理后，以及壩基揚(yáng)壓力兩種分布形式相應(yīng)的壩體抗滑穩(wěn)定性，其成果見表2方案9—方案l0。

表2 壩基抗滑穩(wěn)定分析方案及成果表

　　表2中沿壩基面或G5軟弱破碎帶滑移通道的破裂面積比是指滑移通道中產(chǎn)生破壞的面積與總面積之比，該參數(shù)可以定量評價(jià)壩體抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)的可靠程度(保證率)。分析表2可以看出：

　　① 在不計(jì)滑移通道尾部巖體抗剪作用及正常蓄水位條件下，壩體抗滑安全系數(shù)1．2時(shí)，沿G5滑移通道的破裂面積比達(dá)94．8％，已接近整體滑移極限(破裂面積比l00％)。因此，在正常蓄水位及不計(jì)尾部抗剪作用條件下，壩體的最大抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)為1．20，考慮一定安全儲備，若以沿滑移通道破裂面積比90％控制(下同)，壩基實(shí)際具有抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)1．10-1．15。

　　由方案5和方案6可看出，在校核洪水下，若不計(jì)入尾部巖體抗剪作用，抗滑安全系數(shù)分別為1．00 和1．10時(shí)，壩體沿G5滑移通道的破裂面積比均已 超過90％，表明壩體實(shí)際具有安全系數(shù)小于1．0。

　?、?方案3和方案4表明，計(jì)入滑移通道尾部巖體抗剪作用，正常蓄水時(shí)抗滑安全系數(shù)1．20時(shí)，沿G5滑移通道的破裂面積比僅86．7％，表明壩體的整體抗滑安全系數(shù)已達(dá)到1．20。方案7和方案8表明，計(jì)入滑移通道尾部抗剪作用，校核洪水當(dāng)抗治安全系數(shù)1．10時(shí)，壩體沿G5滑移通道的破裂面積比超過90％，而安全系數(shù)為1．0時(shí)，破裂面積比僅達(dá)67．5％，因此，校核洪水時(shí)計(jì)入尾部抗剪作用的壩基抗滑安全系數(shù)為1．05左右。

　　② 考慮壩體前坦深槽回填處理，方案9給出了不計(jì)水平防滲處理效果(壩基揚(yáng)壓力較回填前不變)，壩基抗滑安全系數(shù)為1．10時(shí)，沿G5滑移通道的破裂面積比較方案8下降了近10％(即安全度保證率提高l0％)，方案10表明計(jì)入水平防滲效果(壩在揚(yáng)壓力減小)，沿G5滑移通道的破裂面積比較方案9又進(jìn)一步降低，即安全度進(jìn)一步提高。

　　綜合方案9、方案10來看，對壩體前坦深槽采用回填并作粘土水平鋪蓋處理，校核洪水時(shí)計(jì)入尾部抗剪作用的壩基抗滑安全系數(shù)可達(dá)1．10。

　?、?從方案l至方案10中可看出，正常蓄水位與校核洪水兩種工況，以及是否計(jì)入尾部抗剪作用多種組合條件下，沿G5滑移通道的破裂面積比均大于壩體建基面，表明埋深較淺產(chǎn)狀近于水平的G5軟弱破碎帶是壩基抗滑穩(wěn)定的關(guān)鍵。

4 壩體裂縫形成原因淺析

　　前面已提及獅子灘水庫溢流壩存在的貫穿性裂縫可以分為三類，第一類是壩體施工過程中遺留的冷縫，第二類是由于混凝土澆筑過程未采取嚴(yán)格溫控措施等因素形成的先期裂縫；第三類是壩面溫度隨外界氣溫變化演變形成的裂縫。對于第一、二類裂縫可采用灌環(huán)氧膠等工程措施一次性處理，而第三類裂縫在水庫長期運(yùn)行過程中，可能重復(fù)出現(xiàn)，尤應(yīng)引起重視。對第三類裂縫產(chǎn)生的條件，分別用三維有限元法和重力壩設(shè)計(jì)規(guī)范建議方法進(jìn)行計(jì)算分析。

　　4．1 壩體運(yùn)行期溫度應(yīng)力三維有限元計(jì)算結(jié)果

　　獅子灘電站溢流壩已運(yùn)行多年，壩體內(nèi)部混凝土穩(wěn)定溫度接近建壩區(qū)多年平均氣溫，而上下游壩面隨外界氣溫呈年際變化，壩面與壩體內(nèi)部的溫差將引起壩體變形，這種壩體變形由于受到壩基巖體的約束，在壩體內(nèi)將形成一定的溫度應(yīng)力。參考壩區(qū)氣溫、水溫和地溫資料，擬定以下參數(shù)計(jì)算夏季和冬季兩種情況：

　　(1) 壩體內(nèi)部穩(wěn)定溫度18℃，下游壩面氣溫37℃，上游水溫在340．0—347. 0m高程內(nèi)取25℃，330．0-340．0m高程內(nèi)取20℃，地溫取l0℃。

　　(12) 壩體內(nèi)部混凝土穩(wěn)定溫度18℃，下游壩面氣溫-2℃，上游水溫在340．0-347．0 m取2℃，330．0-340．0m高程取6℃。

經(jīng)計(jì)算在溢流壩段(3—5剖面)堰頂及下游壩面出現(xiàn)主拉應(yīng)力最大，其方向近于平行壩軸線，量值達(dá)0．8-1．2MPa。

　　4．2 按重力壩設(shè)計(jì)規(guī)范分析

　　(1) 外界溫度年變化引起的應(yīng)力。

　　最大應(yīng)力一般出現(xiàn)在壩表面，值按下式估算：

　　若假定壩面混凝土允許抗拉(裂)強(qiáng)度[σt]＝1．0MPa，由上式計(jì)算，壩面允許的溫度變幅為15 ℃，換言之，若壩面溫度高于33．7℃或低于3．7℃，壩面混凝土則可能開裂或引起已裂混凝土裂縫擴(kuò)展，加深裂縫深度。

　　綜合上述兩種方法分析結(jié)果可以看出，當(dāng)壩面與壩體內(nèi)部混凝土溫差達(dá)到15℃以上時(shí)，壩體混凝土將會出現(xiàn)開裂或引起裂縫進(jìn)一步擴(kuò)展，裂縫最可能出現(xiàn)的部位在溢流壩中間壩段(3—5剖面)的壩頂或下游壩面，由于壩面縱向(垂直水流)溫度應(yīng)力一般大于橫向，裂縫的方向多與最大主應(yīng)力方向垂直，即壩面一般呈現(xiàn)橫向裂縫，這與獅子灘電站溢流壩情況較為吻合。

5 結(jié)論及建議

　　(1) 本文分析表明壩體變位與應(yīng)力分布對稱于壩段中間剖面，左右閘墩間的不均勻沉陷量值非常小，不會構(gòu)成壩體開裂，壩基帳幕的相對水平變位遠(yuǎn)小于一般工程控制值，壩體各部位主壓應(yīng)力水平也遠(yuǎn)小于混凝土抗壓強(qiáng)度，齒墻部位的最大主拉應(yīng)力量值僅為0．136MPa，小于混凝土允許抗拉強(qiáng)度，因此，齒墻不會被剪斷，其他部位也不會發(fā)生應(yīng)力破壞現(xiàn)象，壩體結(jié)構(gòu)是安全的。

　　(2) 在溢流壩前坦深槽存在條件下，正常蓄水(基本荷載組合)的壩體抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)，無論是否計(jì)入尾部抗剪作用，均大于1．05，滿足設(shè)計(jì)規(guī)范要求；校核洪水(特殊荷載組合)的壩體抗滑安全系數(shù)若不計(jì)入尾部抗剪作用，則小于規(guī)范要求的1．0，但計(jì)入尾部抗剪作用，其安全系數(shù)可提高至1．0- 1．05。筆者認(rèn)為：滑移通道尾部巖體作為抗力體，其抗剪作用是客觀存在的，因此，在校核洪水作用下，只要帳幕不被拉裂，壩基不會發(fā)生整體滑動。

　　(3) 回填溢流壩前坦深槽并恢復(fù)原設(shè)計(jì)壩基水平防滲鋪蓋，可提高壩基抗滑穩(wěn)定的安全度，同時(shí)，可防止匯洪時(shí)壩前水流對前坦的進(jìn)一步淘刷，以確保垂直防滲帳幕的安全。

　　(4) 壩基實(shí)測揚(yáng)壓力資料表明，壩趾處存在1．0-6．0 m滲壓水頭，筆者認(rèn)為這與壩基排水幕效果欠佳有關(guān)，建議加強(qiáng)觀測并進(jìn)行適當(dāng)工程處理。

　　(5) 溢流壩面裂縫成因很多，建議一方面對壩體己存在的貫穿性裂縫用環(huán)氧補(bǔ)強(qiáng)，同時(shí)，在電站運(yùn)行過程中注意水庫的調(diào)度，盡量避免在氣溫特高或特低的時(shí)期，頻繁變化庫水位，以降低壩面與壩體內(nèi)部混凝土之間溫度變幅，以及壩體濕度變化，從而達(dá)到減少壩體裂縫之目的。

參考文獻(xiàn)：

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　　[2] 陳夢德．獅子灘水電站滋洪道壩基工程地質(zhì)復(fù)核及巖石力學(xué)試驗(yàn)[J]．四川水力發(fā)電，199l，(4)．

　　作者簡介：

　　何江達(dá)(1961年—)，男，四川達(dá)縣人，四川大學(xué)巖土研究室主任，副教授，碩士，從事巖石力學(xué)教學(xué)及研究工作．

　　張建海(1968年—)，男，河南汲縣人，四川大學(xué)副教授，博士，從事巖石力學(xué)及計(jì)算機(jī)開發(fā)教學(xué)與研究工作．

　　胡貴良(1965年—)，男，江西人，四川省電力公司高級工程師，碩士，從事水電工程管理工作．